CN115364911B - 一种气溶胶微生物采样富集芯片及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于微生物采集技术领域，具体涉及一种气溶胶微生物采样富集芯片及其制备方法。本发明提供的气溶胶微生物采样富集芯片，包括芯片结构层和盖片，芯片结构层和盖片键合或粘合后形成便于气体流动的流道；芯片结构层内设置有微柱结构和刻蚀的纳米结构；流道的芯片结构层侧壁设置有凸柱结构。本发明还进一步提供了该芯片的制备方法。本发明得到的芯片体积小，便于和微流控芯片集成化，富集效率高。
Description
技术领域
本发明属于微生物采集技术领域，具体涉及一种气溶胶微生物采样富集芯片及其制备方法。
背景技术
空气中微生物引起的疾病都会对世界各地的经济造成不可估量的损失。常见疾病如霍乱、肺结核、流感、新城疫和犬瘟热等，这些疾病通常都是病原体通过空气的传播由呼吸系统进入寄主体内，对人类及其他动物的生命等其他活动产生了严重的影响。
对于气溶胶微生物的研究，首先对其采样,获得研究样本。富集采样器是应用较多的采样仪器，广泛地用于各个领域，如重力采样器，安德森采样器，AGI采样器，离心式采样器等。但富集采样器普遍存在体积庞大，高功耗，特别是难以与微流控系统集成等缺点。微流控技术是一种针对微量流体进行操控的技术，具有低试剂样本消耗、快速、低成本、高通量、使用简便、可多部件组合等优点。
基于微流控的采样富集芯片，其微米级的通道具有相对较大的比表面积和较短的扩散距离，能显著加快样品捕获采集，提高检测效率。与传统的体系相比，微流控技术的反应速度更快、高度的集成化、微型化、准确度高等优点使其能够很好的应用于快速的生物分析检测。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种富集气溶胶微生物的芯片。
本发明的技术方案是气溶胶微生物采样富集芯片，包括芯片结构层和盖片，其特征在于，芯片结构层和盖片键合或粘合后形成便于气体流动的流道；流道内设置有微柱结构用于扰流，设置有纳米结构用于吸附；流道的侧壁设置有凸柱结构用于扰流；所述微柱结构沿流道延伸方向呈三角形阵列分布，所述纳米结构分布在微柱结构之间，并呈阵列布置。
具体的，所述微柱结构为三棱柱、四棱柱、多边形柱、圆柱或椭圆柱。
进一步的，所述微柱结构为三棱柱，三棱柱的三角形底面的底边对向流道去流方向，顶角对向流道来流方向。
优选的，所述三棱柱朝流向的两面设置有朝来流方向的分支柱。
具体的，所述纳米结构为纳米柱或纳米锥，也呈三角形阵列分布。位于微柱结构之间的纳米结构也呈多行交错设置，这样可达到充分吸附的目的。
具体的，所述芯片结构层由芯片基材加工而成，芯片基材为聚二甲基硅氧烷、硅片、玻璃或石英。
本发明还提供了所述气溶胶微生物采样富集芯片的制备方法，包括如下步骤：通过微加工工艺在芯片基材上得到微柱结构、纳米结构和凸柱结构，制得芯片结构层；将芯片结构层用乙醇、去离子水循环清洗并干燥后，与盖片键合或粘合，即完成采样富集芯片的制备。
其中，在加工芯片基材前使用设计绘制芯片结构层内微柱结构、纳米结构和凸柱结构的位置。
具体的，微加工工艺包括芯片基材清洗、匀胶、前烘、曝光、后烘、显影、坚膜。
本发明的有益效果：
本发明得到的芯片体积小，芯片结构层和盖板键合后，即完成富集芯片的制备。富集芯片可以直接用于气溶胶微生物的富集，另一方面也可以与其他微流控系统集成。芯片中的微柱结构用于扰流，即改变管道内流体(气体)在管道内的流动状态，将平流变为无序混流，使得芯片内气体分子与内部结构的接触表面积增大，进一步增大富集可能；纳米结构用于吸附，其比表面积大，可进一步增大吸附效果，从而提高富集效率。凸柱结构一方面可以用于扰流，另一方面可增大比表面积，增大富集可能性。交错分布的微柱结构和纳米结构矩阵可将两者效果有机整合，提供富集效率。本发明设计的芯片属于微流控芯片的一种，这种芯片能够与其他检测系统结合集成。
附图说明
图1、本发明具体实施例中微流控芯片的俯视图；
图2、本发明具体实施例中微流控芯片的内部结构示意图；
图3、本发明具体实施例中微流控芯片的内部流道局部放大图；
图中标记：样品入口1、样品出口5、微柱结构2、侧壁凸柱3、纳米结构4、盖片6、流道7、芯片结构层8。
具体实施方式
实施例本发明芯片的制备与使用
首先使用SolidWorks设计绘制芯片的各功能单元图形。如图1和图2所示，设计好的的气溶胶微生物采样富集芯片包括芯片结构层8和盖片6，芯片结构层和盖片键合或粘合后形成便于气体流动的流道7；流道内设置有微柱结构2用于扰流，设置有纳米结构4用于吸附；流道的侧壁设置有凸柱结构3用于扰流；
所述微柱结构沿流道延伸方向呈三角形阵列分布，所述纳米结构分布在微柱结构之间，并呈阵列布置。
具体的，所述微柱结构为三棱柱、四棱柱、多边形柱、圆柱或椭圆柱。
进一步的，所述微柱结构为三棱柱，三棱柱的三角形底面的底边对向流道去流方向，顶角对向流道来流方向。
优选的，所述三棱柱的朝向流道壁的两个周面设置有朝向来流方向的分支柱。
具体的，所述纳米结构为纳米柱或纳米锥，也呈三角形阵列分布。
具体的，所述芯片结构层由芯片基材加工而成，芯片基材为聚二甲基硅氧烷、硅片、玻璃或石英。
芯片的制备过程如下：
1、纳米结构的制备：选用硅片作为纳米结构制备层，首先采用化学腐蚀的方法，在硅片上制备阵列纳米结构，进而采用电化学湿法刻蚀法在纳米结构上形成多孔结构。
2、微柱结构的制备：
清洗：采用的基片为单面抛光的硅片。将硅片浸没于丙酮、无水乙醇、去离子水中，超声循环清洗，去除基片表面杂，并用氮气吹干。
匀胶：将SU-8光刻胶倒在清洗好的硅片中心，调节匀胶机转速，600rpm/min运行6s，使SU-8光刻胶在基片上铺展开来，2500rpm/min运行30s，得到平整的光刻胶旋涂硅片，厚度大约为40μm。
前烘：匀胶后，首先将基片静置1min，减小表面应力；之后将硅片置于65℃的数字热平板上，烘烤1min，接着逐步升温至95℃并保持5min，然后逐渐降温至65℃并保持2min，取下硅片后静置约20min，曝光。
曝光：使用光刻机进行光刻，设置曝光时间为25s。
后烘：热平板预热至65℃，将曝光后的基片立即置于热平板上，保持2min，逐步升温至95℃并保持6min，然后取下来放塑料托盘上冷却。
显影：在两个玻璃培养皿中分别倒入适量PGMEA溶液和IPA溶液，将基片在两溶液中循环浸泡，每次浸泡时间约10s，直到基片表面无白色絮状物产生，显影时间约8min。
坚模：显影结束后，将带有微结构的基片置于热平板上，150℃下烘烤20min，然后冷却至室温。至此，微结构制备完毕。
最后将芯片结构层用乙醇、去离子水循环清洗并干燥后，与盖片键合或粘合，即完成采样富集芯片的制备。
在使用时，气溶胶从样品入口1流向样品出口5的过程中，经过微柱结构2、侧壁凸柱3，会改变流道7内气溶胶的运动状态，将平流变为无序混流，增大样品与各结构间的接触表面积，增大富集可能；纳米微柱4的比表面积大，可进一步增大吸附效果，提高富集效率。
Claims (8)
1.一种气溶胶微生物采样富集芯片的制备方法，包括芯片结构层和盖片，其特征在于，
所述气溶胶微生物采样富集芯片，包括芯片结构层和盖片；芯片结构层和盖片键合或粘合后形成便于气体流动的流道；流道内设置有微柱结构用于扰流，设置有纳米结构用于吸附；流道的侧壁设置有凸柱结构用于扰流；所述微柱结构沿流道延伸方向呈三角形阵列分布，所述纳米结构分布在微柱结构之间，并呈阵列布置；
制备方法，包括如下步骤：通过微加工工艺在芯片基材上得到微柱结构、纳米结构和凸柱结构，制得芯片结构层；将芯片结构层用乙醇、去离子水循环清洗并干燥后，与盖片键合或粘合，即完成采样富集芯片的制备；
所述纳米结构的制备方法包括：选用硅片作为纳米结构制备层，首先采用化学腐蚀的方法，在硅片上制备阵列纳米结构，进而采用电化学湿法刻蚀法在纳米结构上形成多孔结构。
2.如权利要求 1 所述气溶胶微生物采样富集芯片的制备方法，其特征在于，所述微柱结构为三棱柱、四棱柱、多边形柱、圆柱或椭圆柱。
3.如权利要求 2 所述气溶胶微生物采样富集芯片的制备方法，其特征在于，所述微柱结构为三棱柱，三棱柱的三角形底面的底边对向流道去流方向，顶角对向流道来流方向。
4.如权利要求 3 所述气溶胶微生物采样富集芯片的制备方法，其特征在于，所述三棱柱朝向流道的两面设置有朝来流方向的分支柱。
5.如权利要求 1～4 任一项所述气溶胶微生物采样富集芯片的制备方法，其特征在于，所述纳米结构为纳米柱或纳米锥，也呈三角形阵列分布。
6.如权利要求 5 所述气溶胶微生物采样富集芯片的制备方法，其特征在于，所述芯片结构层由芯片基材加工而成，芯片基材为聚二甲基硅氧烷、硅片、玻璃或石英。
7.如权利要求 1所述气溶胶微生物采样富集芯片的制备方法，其特征在于，在加工芯片基材前使用设计绘制芯片结构层内微柱结构、纳米结构和凸柱结构的位置。
8.如权利要求 1 或 7 所述气溶胶微生物采样富集芯片的制备方法，其特征在于，微加工工艺包括芯片基材清洗、匀胶、前烘、曝光、后烘、显影、坚膜。
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Non-Patent Citations (1)
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